Átomos artificiais criam qubits estáveis ​​para computação quântica

Átomos artificiais
Crédito: CC0 Public Domain

Os engenheiros quânticos da UNSW Sydney criaram átomos artificiais em chips de silício que oferecem maior estabilidade para a computação quântica.

Em um artigo publicado hoje na Nature Communications , os pesquisadores da computação quântica da UNSW descrevem como eles criaram átomos artificiais em um ‘ponto quântico’ de silício, um pequeno espaço em um circuito quântico em que os elétrons são usados ​​como qubits (ou bits quânticos), as unidades básicas de informação quântica.

Andrew Dzurak, professor da Scientia, explica que, diferentemente de um átomo real, um átomo artificial não tem núcleo, mas ainda possui camadas de elétrons zunindo ao redor do centro do dispositivo, em vez de ao redor do núcleo do átomo.

“A idéia de criar átomos artificiais usando elétrons não é nova; na verdade, ela foi proposta pela primeira vez teoricamente na década de 1930 e depois demonstrada experimentalmente na década de 1990 – embora não em silício. Nós fizemos uma versão rudimentar em silício em 2013, “, afirma o professor Dzurak, que é membro do ARC Laureate Fellow e também é diretor do Centro Nacional de Fabricação da Austrália da UNSW, onde o dispositivo de ponto quântico foi fabricado.

“Mas o que realmente nos empolga em nossa pesquisa mais recente é que átomos artificiais com um número maior de elétrons se tornam qubits muito mais robustos do que se pensava ser possível, o que significa que podem ser usados ​​com segurança para cálculos em computadores quânticos. Isso é significativo porque os qubits com base em apenas um elétron pode ser muito confiável “.

Química 101

O professor Dzurak compara os diferentes tipos de átomos artificiais que sua equipe criou com uma espécie de tabela periódica para bits quânticos, o que ele diz ser adequado, já que 2019 – quando esse trabalho inovador foi realizado – foi o Ano Internacional da Tabela Periódica .

“Se você se lembrar da aula de ciências do ensino médio, lembre-se de um quadro empoeirado pendurado na parede que listava todos os elementos conhecidos na ordem de quantos elétrons eles possuíam, começando com Hidrogênio com um elétron, Hélio com dois, Lítio com três e assim por diante.

“Você pode até lembrar que, à medida que cada átomo fica mais pesado, com mais e mais elétrons, eles se organizam em diferentes níveis de órbita, conhecidos como ‘conchas’.

“Acontece que, quando criamos átomos artificiais em nossos circuitos quânticos, eles também possuem invólucros bem organizados e previsíveis de elétrons, assim como os átomos naturais na tabela periódica.”

Ligue os pontos

O professor Dzurak e sua equipe da Escola de Engenharia Elétrica da UNSW – incluindo o Ph.D. o aluno Ross Leon, que também é o principal autor da pesquisa, e o Dr. Andre Saraiva – configuraram um dispositivo quântico em silício para testar a estabilidade de elétrons em átomos artificiais.

Eles aplicaram uma voltagem ao silício por meio de um eletrodo de “porta” da superfície do metal para atrair elétrons sobressalentes do silício para formar o ponto quântico, um espaço infinitesimalmente pequeno de apenas 10 nanômetros de diâmetro.

“À medida que aumentávamos lentamente a tensão, atrairíamos novos elétrons, um após o outro, para formar um átomo artificial em nosso ponto quântico”, diz Saraiva, que liderou a análise teórica dos resultados.

“Em um átomo real, você tem uma carga positiva no meio, sendo o núcleo, e então os elétrons carregados negativamente são mantidos em torno dele em órbitas tridimensionais. No nosso caso, em vez do núcleo positivo, a carga positiva vem da eletrodo de porta que é separado do silício por uma barreira isolante de óxido de silício e, em seguida, os elétrons são suspensos embaixo dele, cada um orbitando em torno do centro do ponto quântico, mas em vez de formar uma esfera, eles são dispostos em um disco . “

Leon, que conduziu os experimentos, diz que os pesquisadores estavam interessados ​​no que aconteceu quando um elétron extra começou a preencher uma nova camada externa. Na tabela periódica, os elementos com apenas um elétron em suas camadas externas incluem o hidrogênio e os metais lítio, sódio e potássio.

“Quando criamos o equivalente a hidrogênio, lítio e sódio no ponto quântico, somos basicamente capazes de usar esse elétron solitário na camada externa como um qubit “, diz Ross.

“Até agora, imperfeições em dispositivos de silício no nível atômico interromperam o comportamento dos qubits, levando a operações e erros não confiáveis. Mas parece que os elétrons extras nas conchas internas agem como um ‘primer’ na superfície imperfeita do ponto quântico, suavizando as coisas e dando estabilidade ao elétron na camada externa “.

Assista ao giro

Alcançar a estabilidade e o controle dos elétrons é um passo crucial para que os computadores quânticos baseados em silício se tornem realidade. Onde um computador clássico usa ‘bits’ de informação representados por 0 ou 1, os qubits em um computador quântico podem armazenar valores de 0 e 1 simultaneamente. Isso permite que um computador quântico realize cálculos em paralelo, em vez de um após o outro, como faria um computador convencional. O poder de processamento de dados de um computador quântico aumenta exponencialmente com o número de qubits disponíveis.

É o giro de um elétron que usamos para codificar o valor do qubit, explica o professor Dzurak.

“O spin é uma propriedade da mecânica quântica. Um elétron age como um minúsculo ímã e, dependendo de como gira seu pólo norte, pode apontar para cima ou para baixo, correspondendo a 1 ou 0.

“Quando os elétrons em um átomo real, ou em nossos átomos artificiais, formam uma concha completa, eles alinham seus pólos em direções opostas para que a rotação total do sistema seja zero, tornando-os inúteis como um qubit. Mas quando adicionamos um mais elétron para iniciar um novo invólucro, esse elétron extra tem uma rotação que agora podemos usar como um qubit novamente.

“Nosso novo trabalho mostra que podemos controlar a rotação de elétrons nas camadas externas desses átomos artificiais para nos fornecer qubits confiáveis ​​e estáveis.

“Isso é realmente importante porque significa que agora podemos trabalhar com qubits muito menos frágeis. Um elétron é uma coisa muito frágil. No entanto, um átomo artificial com 5 elétrons ou 13 elétrons é muito mais robusto”.

A vantagem do silício

O grupo do professor Dzurak foi o primeiro do mundo a demonstrar lógica quântica entre dois qubits em dispositivos de silício em 2015 e também publicou um design para uma arquitetura quântica de chips de computador em larga escala baseada na tecnologia CMOS, que é a mesma tecnologia usada para fabricar todos os chips de computador modernos.

“Ao usar a tecnologia CMOS de silício, podemos reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento de computadores quânticos com os milhões de qubits necessários para resolver problemas de importância global, como o design de novos medicamentos ou novos catalisadores químicos para reduzir o consumo de energia”, diz o professor Dzurak.

Em uma continuação desta última inovação, o grupo explorará como as regras da ligação química se aplicam a esses novos átomos artificiais , para criar ‘moléculas artificiais’. Eles serão usados ​​para criar portas lógicas aprimoradas de vários qubit necessárias para a realização de um computador quântico de silício em larga escala .